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节能炉窑
时间: 2023-12-14 浏览次数:1376
——————————————— ◆  回转窑节能降耗  ◆ ———————————————
>>回转窑节能降耗介绍

       回转窑是对散状或浆状物料进行加热处理的热工设备,广泛用于有色冶金、黑色冶金、耐火材料、水泥、化工和造纸等工业部门,尤其是在一些有色金属生产中占有重要的地位,用来对矿石、精矿、中间产物进行烧结、焙烧等加热处理。在回转窑问世的100多年间,回转窑作为燃烧装置为物料煅烧提供必要的热量,物料在生产过程中在回转窑内发生高温物理化学反应,物料温度可达1400~1450℃,烟气最高温度可达1700℃左右,由于窑内炽热气流与物料之间的换热效率低,从而产生了大量的余热。

对回转窑采取措施进行节能降耗,是提高相关工业经济效益的根本有效途径,可以从以下四个方面考虑:

(1)燃料的燃烧效率。主要是降低燃料的机械不完全燃烧损失、化学不完全燃烧损失等;

(2)窑体热辐射散热,即加强窑体的隔热能力,减小表面辐射换热系数;

(3)余热、废热的回收利用。回转窑的热损失主要包括熟料冷却热损失、蒸发水分热损失、窑灰热损失、烟气的热损失等;

(4)辅助设备能耗。以下针对各个方面,对相应的节能降耗技术进行探讨。

 
———————————————◆  燃料的燃烧损失  ◆———————————————

回转窑系统使用的燃料种类可分为气体燃料、固体燃料、液体燃料和混合燃料等几种。气体燃料一般为天然气和焦炉煤气,天然气由于成本太高,在国内使用较少,而焦炉煤气为钢铁企业普遍使用的燃料,也是适合回转窑煅烧石灰的燃料;固体燃料是指煤粉,由于有些生产企业不具备气源或燃气供应紧张,一般采用煤粉为燃料;液体燃料是指重油、柴油等燃料,因其成本非常高,目前几乎没有采用;混合燃料有高焦混合煤气、高转混合煤气、煤粉煤气混合燃料、油气混合燃料等多种,其中使用较多的是前3种混合燃料。

目前在国内回转窑系统使用的燃料大致可分为煤粉和煤气两大类,其燃烧装置也不相同,下面就气体和煤粉燃烧装置的节能降耗分别进行探讨。

>>煤粉燃烧

       据热工测定统计显示,我国回转窑的不完全燃烧热损失平均为每千克熟料250KJ,占热耗的4%。其中化学不完全燃烧损失为34%~37%,熟料机械不完全燃烧损失平均为54~71KJ/kg。据资料介绍,废气中增加0.19%的CO,相当于损失燃料0.6%,应处理好以下的问题:

(1) 选择合理的煤粉控制指标。煤粉越细,比表面积越大,燃烧速度快,不完全燃烧损失小。煤的灰分高低,对发热量和燃烧速度有较大影响。我国煤种多样,质量波动也较大。对于灰分较高的煤,应以较少的一次风量并适当降低煤粉细度来加速其燃烧,减少不完全燃烧,同时可以提高烧成带的热力强度,提高产量,增加效益。

(2) 合理的过剩空气系数。回转窑选择合理的排风和一定的过剩空气量是完全燃烧的首要条件。一般过剩空气系数控制在1.05~1.15之间较宜。

(3) 合理的燃烧器结构。回转窑普遍采用的是煤粉燃烧器,其技术也非常成熟。随着回转窑燃煤技术的发展,煤粉燃烧器由单风道发展到二风道、三风道、四风道甚至五风道,目前四风道燃烧器应用最多。单风道的作用只是起到输送煤粉的作用,对火焰基本没有调节作用;二风道多了一些调节功能,但仍然不理想;三风道燃烧器主要由煤粉风道、轴向风风道和径向风风道组成,可以通过改变轴向风和径向风的比例来调节火焰的形状和长度;四风道燃烧器增加了涡旋风或中心风道,对于煤粉的混合燃烧、二次风的抽吸、火焰长短和形状的调节等都能起到非常好的效果。

目前,四风道燃烧器是最先进的燃烧器,它可以获得在烧成带需要的火焰形状,提高燃烧效果,减少一次风用量,增加高温二次风量参与燃烧,起到降低热耗的作用。此外,四风道燃烧器对煤的品种适应范围也较宽。根据水泥行业的统计,采用四风道煤粉燃烧器和其它燃烧器相比可降低热耗3%~5%,因此在燃烧器的选用上应尽量采用四风道结构。可见煤粉燃烧器的合理选用也是节能降耗的关键。

>>低热值煤气的应用

       焦炉煤气的热值为3600kCal/Nm3,转炉煤气的热值为1600kCal/Nm3,高炉煤气的热值只有800kCal/ Nm3,回转窑使用煤气煅烧活性石灰要求的热值一般要大于2600kCal/Nm3,焦炉煤气是最合适的燃料。但焦炉煤气成本相对较高,供应往往不能满足活性石灰生产需要,而转炉和高炉煤气却往往因为过剩被迫大量放散,如何利用低热值煤气是回转窑生产的重要研究课题,特别是使用发生炉煤气。

低热值煤气在活性石灰回转窑系统上已经成功得到应用。主要方法是采用混合煤气、煤粉和煤气混烧、高效换热器进行预热等。混合煤气是按一定比例将焦炉煤气和转炉或高炉煤气进行混合,混合后热值有所降低,但可以满足活性石灰生产要求;煤粉和煤气混烧可以根据煅烧所需的热值和燃烧温度调节,将煤粉和煤气进行混合燃烧;高效换热器可以利用废烟气将煤气和一次风预热到150~200 ℃,采用这种方式可以提高低热值煤气带入的物理热,可以增加低热值煤气使用的量。因此,低热值煤气的综合利用,可以产生巨大的经济效益,同时可以减少因大量放散带来的环境污染。目前,通过煤气化产生发生炉煤气,并在由沸腾炉产生的高温烟气中燃烧,进而产生超高温烟气的技术成为扩大煤种适应性以及回转窑生产能力的主要突破口,与以上方法一样,关键是解决好低热值煤气燃烧不易组织的问题,因此合理的煤气燃烧器结构以及空气动力场、燃烧室性能成为研究的重点。

以前国内使用的煤气燃烧器多为比较简单的两通道结构,煤气由中心通道通过,助燃一次风由环形通道通过,煤气压力也较低,一般只有几千帕,煤气和空气的混合依靠固定在燃烧器前端的旋流片和缩口来实现,火焰的形状和长度只能根据一次风的压力和流量来调节,调节能力很差,有时操作无法达到理想的燃烧效果。近年来多通道煤气燃烧器的使用越来越普遍,多通道燃烧器一般在四通道以上,通常由燃气通道、中心风通道、旋流风通道、径向风通道等组成,旋流风使煤气与空气混合均匀,中心风可以调节火焰的长度,径向风用来调节火焰的形状。因此在实际生产过程中,多通道燃烧器可以根据工况对火焰进行全方位的调节以达到最佳燃烧效果,其结果可以使煅烧的成品质量更加稳定均匀,还能适当提高物料的停留时间,其节能效果也非常明显。目前国内已经研制出适合各种气体燃料的多通道燃烧器,可以实现全部国产化,使用效果也很好,价格仅为进口的10%,建议在国内使用气体燃料的单位尽量采用多通道燃烧,提高燃烧效果以及节能降耗。使用多通道燃烧器一般要求气体供应压力达到10~20kPa,需要建燃气加压站,会增加部分投资,但从长期运行节能降耗上来看还是非常经济的。

———————————————◆  窑体热辐射散热  ◆———————————————

       回转窑工作过程中,通过筒体散失到空气中的热损失,占总热量的20 %以上。回转窑内热气流的热量是以热传导的方式通过窑衬和筒体散失到周围空气中的,窑衬的导热系数越小,即热阻越大,散热损失就越小,所以提高窑衬的热阻是回转窑节能降耗的重要措施。散热是必不可免的,在筒体外部安置换热器,是降低能耗的另一种措施。

>>采用不同隔热窑衬

采用增厚窑衬减少散热,会存在使窑衬过厚而影响运行安全与效率的问题。针对不同的段带采用不同的隔热能力的窑衬,是解决这一问题的主要方式,做到既节能又可提高经济效益。

在干燥带、预热带窑衬内表面温度小于1000℃,窑内气流温度小于1200℃的部位,采用页岩陶粒隔热砖。页岩陶粒隔热砖的隔热性能好,窑体外表面温度与用粘土砖相比降低70~80℃,粘土砖筒体外表面温度为220℃左右,陶粒砖为150 ℃左右。另外陶粒砖代替粘土砖砌入窑内,由于容重小,相同厚度的窑衬重量减轻1/2,同时其耐碱性和热稳定性优于粘土砖。

分解带采用耐碱不烧复合砖,其热震稳定性良好,耐碱侵蚀,荷重软化温度适中,工作层和隔热层有机融为一体,隔热效果好,经测试节能效果显著。

过渡带、冷却带采用高活性相结合复合砖,其导热系数低,能有效降低回转窑筒体表面温度,减少热量散失,性能明显优于目前使用较多的镁铝尖晶石砖和直接结合镁铬砖。

>>利用辅助绝热材料

在回转窑的窑衬中放置导热系数更小的辅助绝热材料,提高窑衬的热阻,从而减少经过筒体的热损失。采取的措施主要通过改变耐火砖的形状,形成异形耐火砖,在窑衬与筒体之间形成网格状的空隙,作为辅助绝热材料的填充空间。异形耐火砖被切去部分的体积越大,形成的网格状空隙也就越大,安放的辅助绝热材料就越多,隔热效果也就越好,但异形耐火砖被切去部分过大会导致耐火砖径向强度减小。另外辅助耐火材料的安放位置也很重要。出于成本考虑,没有必要在整个回转窑的窑衬中都安放辅助绝热材料。烧成带筒体表面温度最高,在该区段经筒体的散热损失最大,可达筒体总热损失的35 %以上。模拟研究表明,在高温区段即烧成带安放辅助绝热材料效果最好。

此外,还可在窑体表面涂耐火涂料,以减小辐射散热。

>>利用预热器、夹套等

针对回转窑筒体散热情况,不同企业根据生产实际,对其进行了回收利用。

(1)预热一次空气。将预热器安装在筒体最高温度带,使空气在预热器内紧贴着筒体表面和散热片表面进行湍流运动,通过延长空气在预热器内的时间,强化换热效果。

(2)设置水夹套。在回转窑高温带筒体外安装两个半圆形水夹套,将筒体夹住。利用窑筒体的散热将夹套中的水加热成蒸汽或热水,用于车间、办公室的取暖或工厂的浴池。

(3)焊接夹套层,用于烘干。利用回转窑的倾斜角度和筒体的旋转运动,并在夹套中焊上导向叶片,使物料沿着筒壁不断运行并被窑体的散热烘干。

—————————— ◆  余热、废热的回收利用 ◆ ——————————

>>降低窑灰带走的能耗

窑灰带走的热损失约占热耗的1%~4%,比重虽不大,但窑灰本身是一种原料,不可忽视。避免电收尘器时开时关,提高收尘器效率,选择合适的窑内风速、生料颗粒重度和热交换设备的型式,都可减少窑灰的逸出量,从而减少窑灰带走的热量。

>>降低水分带走的能耗

       降低水分带走的能耗料浆水分越高,料浆水分蒸发热耗也就越大。降低料浆水分蒸发热量,必须降低磨料浆水分,减少泵的外加水。采用料浆稀释剂,提高料浆流动度,是降低料浆水分蒸发热量的关键,是实现湿法窑节能增产的一项既经济又简单的途径。从理论上讲,料浆水分每降低1% ,可降低熟料热耗1%~2%,增产熟料1.5%~2.5%。

>>熟料冷却热损失

物料冷却是影响系统能耗的重要环节,烧成的熟料进入冷却器时的温度在1000℃左右,带有大量热能。据统计,我国回转窑生产熟料带走热损失占熟料热耗的8%,达293~520 KJ/kg,国外一般为184~470KJ/kg。在回转窑节能降耗中,提高冷却器的冷却效率,对保证入窑二次风温非常关键。单筒冷却器采用扬料板靠自然吸风对物料进行冷却,冷却效果差,冷却风量无法调节,二次风温度低,系统能耗高;篦冷机冷却效果虽然好,但是设备结构复杂,运动件和特殊材料多,维护不便;方形多风塔式竖式冷却器结构简单,除出料振动给料机之外无其它运动部件,冷却效果好,可以迅速将物料从1000℃冷却至100℃左右,冷却风经热交换后作为二次风入窑参与燃烧,从而加快入窑煤粉起火,使之燃烧完全,进而减少了煤粉的机械和化学不完全燃烧造成的热损失,同时大量热能得到回收,节能效果非常明显。

另外在冷却器的内部,可以考虑放置换热器,充分利用物料的散热,加热水或空气等,以作其它用处。

>>烟气排放热损失

烟气排放热损失是热耗中最大的一项,平均为2006KJ/kg左右,约占热耗的33%,其取决于烟气温度和烟气量。增加窑内传热面积,加强热交换效果,加强密封,对降低烟气温度及减少烟气量排放是首要的。据统计,窑尾温度每降低4 ℃,干法窑可降低热耗3.8 KJ/kg;半干法窑达12 KJ/kg;湿法窑达5.6KJ/kg。每千克熟料少用0.002kg标准煤,可以减少0.015m3的烟气量,可降低4.18 KJ/kg的热耗。因此降低烟气损失是降低热耗的重要途径,是提高企业效益的重要途径。

1、余热发电

我国最早在大连水泥厂和唐山启新水泥厂采用了带余热发电系统的干法中空回转窑。该窑炉烟气排放温度850~900℃,在窑尾装上余热锅炉,并配带汽轮发电机组,利用余热锅炉产生的蒸汽推动汽轮机发电。我国80年代自行设计和开发了若干条余热发电窑,余热发电技术有了较大提高,运行参数提高到215MPa 左右,单台装机容量达到3000kW,国产的1500kW、3000kW汽轮发电机组,基本满足了水泥厂余热发电系统的需要。随着技术的不断进步,700t/d和500t/d余热发电窑的余热发电系统运行参数提高到315~3182MPa,单台装机容量达到3000kW 和6000kW ,吨熟料发电量140~160kWh。目前最好的余热发电系统吨熟料发电可达180~195kWh。在回转窑生产过程的同时产生电力,可基本解决生产所需的电力负荷,电力自给率在80~100 %,对减少电费支出,提高企业的经济效益起到了重要作用。

2、预热物料

在窑尾设置窑外预热装置,用烟气预物料,是合理利用尾气热能的一种有效方法。在预热技术中,应用最广的就是悬浮预热技术。悬浮预热是指低温粉体物料均匀分散在高温气流中,在悬浮状态下进行热交换,使物料得到迅速加热升温的技术,集生料预热、气固分离、生料水分蒸发、部分碳酸盐分解等物理化学过程为一体。悬浮预热技术,从根本上改变了物料预热过程的传热状态,将窑内物料堆积态的预热和分解过程,分别移到悬浮预热器和分解炉内在悬浮状态下进行。由于物料悬浮在热气流中,与气流的接触面积大幅度增加,因此传热速度极快,传热效率很高。同时,生料粉与燃料在悬浮态下,均匀混合,燃料燃烧热传给物料,使之迅速分解。因此,预热技术大幅度地提高了生产效率和热效率,具有单位产品热耗低、窑的单位容积产量高、维护工作量少,单位产品的投资少的优点。悬浮预热器可分为立筒预热器和旋风预热器两类。随着旋风预热器窑和窑外分解窑的发展和成熟,立筒预热器窑的发展受到较大的冲击,已趋于淘汰。

另外在尾部烟气管道内可以放置换热器,起到省煤器和空气预热器的作用。

——————————————— ◆  辅助设备能耗 ◆ ———————————————

       在回转窑系统中应合理选择风机、泵类的设备能力及其拖动电机的额定功率。要充分重视此类设备的节能潜力,避免此类装置及其电机经常处于非额定工作状态,使电机效率降低,功率因数下降,增加电力消耗,必要时可以采取加装电机的调速装置的措施, 提高设备的效率。

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